深層攪拌樁復(fù)合地基加固實(shí)施分析

文/新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 張校剛

道路建設(shè)呈帶狀分布，在穿越不同地區(qū)時(shí)常常會(huì)遇到軟土地基，軟土地基的變形大，容易產(chǎn)生局部或整體的剪切破壞。為確保建成的道路安全正常使用，通常需要在建設(shè)過(guò)程中對(duì)軟弱地基進(jìn)行特殊處理。目前，處理軟土地基的方法多樣，其中深層攪拌樁處理軟土地基的方法是一種較為理想的處理方法，它具有施工速度快、成本低、不易受外界環(huán)境影響等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)不同地層及施工環(huán)境。

深層攪拌樁技術(shù)現(xiàn)狀

深層攪拌樁是利用機(jī)械攪拌軟土，同時(shí)注入膠凝材料固體或液體，目前應(yīng)用較為廣泛的膠凝材料為水泥。通過(guò)機(jī)械地?cái)嚢枳饔檬管浲僚c膠凝材料充分拌和在一起，形成抗壓能力比天然地基高得多的改良地基，整體性、水穩(wěn)定性都有大幅提高。對(duì)于攪拌樁復(fù)合地基承載力方面的研究已有不少學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了探索，如費(fèi)勤發(fā)等人通過(guò)理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐得出樁體越長(zhǎng)對(duì)樁體的變形控制能力也會(huì)相應(yīng)增加，當(dāng)樁體長(zhǎng)度大于13m時(shí)，控制作用就會(huì)明顯減小，當(dāng)膠凝材料摻入量小于15%時(shí)，地基的變形能力控制最大，當(dāng)膠凝材料摻入量大于15%時(shí)對(duì)沉降的控制作用力會(huì)降低，且會(huì)增加施工成本。張誠(chéng)厚等人認(rèn)為在計(jì)算過(guò)程中通過(guò)選用適當(dāng)?shù)膲嚎s指標(biāo)，來(lái)衡量軟土結(jié)構(gòu)性力的作用對(duì)地基沉降的影響，這樣有利于計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值更接近。

表1 水泥攪拌樁設(shè)計(jì)基本參數(shù)

深層攪拌樁復(fù)合地基加固機(jī)理

攪拌樁強(qiáng)度產(chǎn)生是由水泥與軟土拌和后產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土地基具有可靠的強(qiáng)度，它與混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生的機(jī)理不同?；炷翉?qiáng)度的產(chǎn)生是由砂石料等骨料與水泥產(chǎn)生的水化產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)合，在這個(gè)過(guò)程中砂石骨料不參加任何反應(yīng)，而水泥土強(qiáng)度的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程，它不僅有水泥的水化產(chǎn)物包裹軟土顆粒，水化產(chǎn)物也會(huì)與軟土顆粒表面的某些活性物質(zhì)過(guò)行反應(yīng)。在強(qiáng)度形成速度上水泥混凝土?xí)人嗤量旌芏?，主要是由于水泥在混合料中所占比重所決定。

水泥土強(qiáng)度的形成與水泥品種、軟土類型、軟土含水率、水泥在軟土中的分布均勻程度有關(guān)。水泥的各種水化物生成后，一部分自身繼續(xù)硬化形成水泥體骨架，一部分則與周圍黏土顆粒發(fā)生一系列反應(yīng)：

離子交換作用：軟土中的自由水與結(jié)合水充當(dāng)著離子交換的載體作用，結(jié)合水對(duì)黏土的稠度、塑性、變形起著重要的作用，通過(guò)離子交換會(huì)在很大程度上影響軟土的物理指標(biāo)。

硬化反應(yīng)：水泥的膠凝體在未成形前，通過(guò)離子運(yùn)動(dòng)運(yùn)送到粘土顆粒表面，通過(guò)激活黏土顆粒表面惰性物質(zhì)，形成一層堅(jiān)硬的外殼使軟土的強(qiáng)度得到提升。

碳化作用：水泥水化物中含有大量的氫氧化鈣的游離陰、陽(yáng)根離子，它們能夠吸收空氣中的二氧化碳，發(fā)生碳酸化反應(yīng)生成具有強(qiáng)度的碳酸鈣，能夠進(jìn)一步提高軟土的強(qiáng)度。

表2 基本參數(shù)的選取與單樁豎向承載力特征值計(jì)算

表3 面積轉(zhuǎn)換率的計(jì)算

表4 計(jì)算得出的相關(guān)結(jié)論

水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)計(jì)算

參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）規(guī)定，擬選用DW型水泥作為膠凝材料，采用濕法進(jìn)行處理，水泥漿水灰比選用0.5，處理面積約為200m2。對(duì)于攪拌樁的設(shè)計(jì)主要是確定樁長(zhǎng)和攪拌樁的置換率，樁長(zhǎng)的確定應(yīng)該根據(jù)上部結(jié)構(gòu)對(duì)其承載力及變形的要求確定，且宜穿過(guò)軟土層達(dá)到承載力相對(duì)較高的持力層，基本參數(shù)如表1所示，攪拌樁平面布置圖如圖1所示。

圖1 攪拌樁的布置形式

對(duì)于樁身強(qiáng)度折減系數(shù)η，干法取0.2～0.25；濕法取0.25；樁端天然土承載力折減系數(shù)：α的取值在0.4～0.6之間，本文取中值α=0.5；樁間土承載力折減系數(shù)：β取值一般為0.1～0.8，本文取β=0.4；樁間天然土承載力特征值fsk=120kPa，面積置換率由表2計(jì)算得到，樁身水泥土90d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由室內(nèi)試驗(yàn)確定為2.2MPa。水泥攪拌樁基本參數(shù)的選取與單樁豎向承載力特征值計(jì)算，如表2所示。

面積置換率的確定，應(yīng)該根據(jù)已求得的單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值Ra=108kN，復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fspk=mRa/Ap+β(1-m)fsk=130kPa，樁間天然地基承載力特征值fsk=120kPa得到最小面積置換率m，計(jì)算如表3所示。

復(fù)合地基承載力的計(jì)算：復(fù)合地基承載力特征值fspk=mRa/Ap+β(1-m) fsk=143（kPa）；水泥布樁根數(shù)計(jì)算：布樁數(shù)n=mA/Ap=191（根）；沉降計(jì)算天然地基壓縮模量為Es=1.80Mpa，模量提高系數(shù)ζ=1.191，復(fù)合地基壓縮模量Ep=2.145MPa，經(jīng)計(jì)算得出的相關(guān)結(jié)論如表4所示。

結(jié)語(yǔ)

在工程實(shí)踐中軟弱地基是常遇到的一種不良地質(zhì)，軟弱地基的強(qiáng)度低、抗變形能力差，這就需要對(duì)其進(jìn)行加固，本文在分析了水泥加固軟土微觀內(nèi)在機(jī)理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)為軟土地基的處理提供理論支撐，以便深層攪拌樁復(fù)合地基能夠得到更加廣泛的應(yīng)用。